JPH0257662B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、固体粒子あるいは腐食性流体ある
いはまたこれらが重畳した攻撃に対する金属材料
などの耐久性を考察評価するための新規な試験法
及び試験装置に関するものである。

金属材料の損傷現象については、サンドエロー
ジヨン、コロージヨン及び両者の重畳したエロー
ジヨン・コロージヨンが知られている。サンドエ
ロージヨンとは、固体粒子が材料に繰返し衝突す
ることによつて材料表面が徐徐に脱離する現象を
指称するが、この現象は、固体粒子の混在する流
体を輸送するポンプやブロア、配管特にエルボ管
等の曲管やバルブ等において頻繁に観察されると
ころである。固体粒子の混在しない腐食性流体の
存在下においては、電気化学的腐食、すなわちコ
ロージヨン現象が見られ、両者の重畳した環境
下、すなわち腐食性環境下でサンドエロージヨン
が発生するエロージヨン・コロージヨンにおいて
は、一段と材料の受ける浸食は増大する。

このような種種の環境下において、十分耐え得
る材料を開発するためには、先ずもつて、このよ
うな環境下に材料をさらし、その耐久性を考察・
評価するための信頼性の高い試験法及び試験装置
の開発を必要とする。

望ましい試験法及び試験装置としては、耐サン
ドエロージヨン性、耐コロージヨン性及び耐エロ
ージヨン・コロージヨン性を各各同一条件下にお
いて同様な再現性の下にテスト可能であり、各各
独立して考察評価し得るものでなければならな
い。また耐コロージヨン性は実地に類した流動腐
食流体中において考察・評価することが望まれ
る。さらにまた試験装置自体が十分耐久性を具備
するものであることも望まれる。

従来の試験装置としては、例えば特開昭49−
123089号に示されるサンドエロージヨン試験装置
がある。この装置は、混合槽に流体と固体粒子と
を別個に供給して固体粒子と流体との混合物を造
り、これを配管を通して噴出装置に送り、清水噴
射ノズルから吹き出す清水とともに前記混合物を
噴出ノズルから噴き出して試料に噴出する方式を
とつている。しかしこのような方式によれば、流
体内において固体粒子の均一な分布状態を得るの
が困難で、固体粒子の供給が不安定とならざるを
得ない。また、固体粒子の補充操作を必要とし、
試料を設置した水槽内に溜つた固体粒子を取り出
す必要があるため、半永久的連続運転ができない
という難点がある。さらにまた、混合物を送給す
るため送給経路において固体粒子が閉塞したり損
傷を受けるおそれがあつた。

また、特開昭55−67638号において、流動層を
使用したサンドエロージヨン試験法および試験装
置が提供されている。この方式は、流動層中にお
いてテストピースを高周波縦振動させることを特
徴とするもので、流動層の使用によつて固体粒子
の均一分布が達成される点、また、送給経路内は
流体のみが循環する方式である点において上記問
題点を払拭している。ただし、テストピースを高
周波振動させる方式であるため、腐食性流体のみ
を使用した流動条件下のコロージヨンテストは実
施できない。

そこで、この発明の目的とするところは、半永
久的連続運転が可能であり、固体粒子の安定した
送給状態が得られ、ポンプ、配管経路等の送給経
路において固体粒子が閉塞したり損傷を受けるお
それがなく、耐サンドエロージヨン性、耐コロー
ジヨン性及び耐エロージヨン・コロージヨン性を
各各同一条件下において同様な再現性の下にテス
ト可能な信頼性の高いサンドエロージヨン・コロ
ージヨン試験法及び試験装置を提供することを目
的とするものである。

上記目的を達成するため、この発明において
は、特開昭55−67638号と同様に流動層を使用し、
試験片に衝突させるべき固体粒子は流体中におい
て可及的均一な状態に浮遊させておき、試験片に
対する固体粒子の衝突力は、別途に導いた流体の
噴出力によつて与えるようにしたものである。

すなわち、この発明の試験法は、流速分布の均
一な上昇流体中に固体粒子を比較的密に浮遊させ
て固体粒子の均一な浮遊状態を達成した流動層内
に、別途に流体を導いて噴出流を形成し、その噴
出経路に浮遊粒子を吸引させ、該噴流経路に露出
させた試験片表面に固体粒子を衝突させるように
するとともに、流動層流体及び噴出流流体として
両者の混合流体から固体粒子を沈降分離させた流
体を循環使用するサンドエロージヨン・コロージ
ヨン試験法である。

すなわち、流体中に固体粒子を可及的均一な状
態で浮遊させた流動層を形成し、この流動層内に
固体粒子の混在しない流体を別途に導いて噴出流
を形成させ、この噴出流の噴流経路にアスピレー
ターと同一の原理で噴出流の吸引力によつて流動
層内の浮遊流体を吸引して噴出流と混合するよう
になし、この噴流経路に試験片表面を露出させて
おくことによつて固体粒子を衝突させるようにし
たものである。

この方式においては、流動層流体及び噴出流流
体の流量あるいは流速を定常状態に維持しておけ
ば、常に同一条件の下にサンドエロージヨンテス
トを遂行することができ、また一方流量あるいは
流速を適宜変換すれば、簡単に固体粒子の衝突条
件を変換することができる。しかも、固体粒子に
衝突力を付与する噴出流は、噴流経路において固
体粒子を吸引混合して試験片表面にその固体粒子
を衝突させるものであり、流動層流体と噴出流流
体としては、両者の混合流体から固体粒子を沈降
分離させた上澄流体のみを循環させているため、
流動層流体および噴出流流体中には固体粒子が含
まれておらず、ポンプ、配管等の試験装置を損傷
するおそれもなく、また固体粒子を損傷する危険
性もない。

噴流経路はその一面を試験片の表面自体で画定
し、他面は噴出流の導入孔を有するガイドピース
で画定するようにすれば、このガイドピースのみ
を取換部材とする耐久性の良好な試験装置となし
得るのもこの試験法の利点である。なお、このガ
イドピース自体も一種の試験片と見ることもでき
る。

上記は一応サンドエロージヨン試験として説明
したが、使用流体を不活性流体ではなく、腐食性
流体を用いればエロージヨン・コロージヨンテス
トが可能であり、また腐食性流体のみを使用すれ
ば流動条件下におけるエロージヨンテストを遂行
し得るのはもち論である。この場合、各テストを
同一条件下に独立して遂行することができ、特に
エロージヨン・コロージヨンテストの評価に便で
ある。また、噴流経路という画定された場所にお
いて試験片表面を腐食性流体にさらすため、この
経路を比較的狭くした場合、後述のごとく、試験
片表面においては流れの境界層が剥離される現象
を起し、腐食が加速されるようにすることもでき
る。

次に、この方法を実施するための装置につい
て、図示の具体例に従つて説明する。

第１図は、この発明に基づく試験装置の一例を
示す全体概略図で、装置主部は下部槽１とこの上
に連設された分離槽２から成つている。下部槽１
の底部には流体の流入口３が設けられ、この流入
口３より流入した流体を底部近傍に設けた多孔板
４を通して下部槽１内を上昇させることにより、
時速分布の均一な上昇流を得、この上昇流中に固
体粒子５を比較的密に浮遊させることによつて該
固体粒子５を可及的均一に分布させた流動層６を
得ている。Ｔは、この下部槽１内に設置した複数
個の試験部で、第２図ないし第４図にその詳細を
示す。７は耐食性材料からなる保持筒で、その頂
部にノズル部材８を螺着している。９はパツキン
１０を介してノズル部材８上に設置したガイドピ
ース、１１はノズル部材８の外周に取り外し可能
に固着された取付部材で、その頂部に試験片１２
の設置部１３を有しており、ノズル部材８への固
着時、試験片１２の載置片１４によつて前記ガイ
ドピース９を押えるようにするとともに、載置片
１４を挟んで対向するガイドピース９と試験片１
２との間隔Ｓに見合つた開口部１５が周囲側壁に
形成されている。１６はガイドピース９の外周に
嵌着したシールリング、１７は試験片１２の外周
に嵌着したシールリング、１８は試験片１２の上
面を覆つたシールプレートで、試験片１２の損傷
面を限定している。また前記ノズル部材８は導管
１９を連結した噴出ノズル２０を有しており、ガ
イドピース９には噴出ノズル２０に対応して噴流
導入孔２１が形成されている。２２は噴出ノズル
２０の外周部に設けられた流動層経路で、上記噴
流導入孔２１に連通しており、導管１９と保持筒
７間に流入した流動層６の流路となつている。導
管１９には第１図に示すごとく流動層流体と別途
に流体が送給されており、噴出ノズル２０より噴
出された噴出流はガイドピース９の噴流導入孔２
１より間隔Ｓを有する噴流経路に流入し、開口部
１５より流出する。噴流導入孔２１への流入時、
アスピレーターと同一の原理で流動層６の浮遊粒
子を吸引・混合するため、固体粒子は試験片表面
に衝突して損傷を与えることになる。

分離槽２はその断面積を下部槽１よりもできる
だけ大きく形成し、流動層流体の上昇流速度より
も固体粒子５の沈降速度が早くなるようにしてい
る。

因つて、試験片表面に損傷を与えた固体粒子を
含む噴出流と流動層流体との混合流からなる上昇
流は、この分離槽２において流体と固体粒子に分
離され、固体粒子は沈降して流動層６に帰還し、
分離槽２の上方部は固体粒子を含まない上澄流体
が得られる。図示の試験装置においては、この上
澄流体を流動層流体及び噴出流流体として強制循
環させる実施例を示している。すなわち、上澄流
体の一部は、ポンプ２３、流量調節バルブ２４を
経て下部槽１底部の流入口３に循環させ、他の一
部は、ポンプ２５、流量調節バルブ２６を経て、
導管１９に循環させている。２７は両経路の途中
に設けた縮流管、２８はマノメーターである。な
お、２９は、流体を適宜加熱するため分離槽２内
に設置したヒーターである。

上記試験装置は、好ましい実施例を示すもので
はあるが、必ずしもこれに限定される必要はな
い。要するにこの発明に係る試験装置の特徴とす
るところは、流動層を利用する点、固体粒子を含
まない噴出流流体を使用する点、固体粒子を分
離・沈降させた上澄流体を強制循環させる点にあ
る。

すなわち、この発明に係る試験装置は、流速分
布の均一な上昇流体中に固体粒子を比較的密に浮
遊させて流動層を形成した下部槽と、この下部槽
内に設置した試験部と、下部槽上部に連設され、
流体中の固体粒子を沈降分離させる分離槽とを有
し、上記試験部は、保持された試験片表面との間
において噴流経路を画定するガイドピースと、こ
のガイドピースの噴流導入孔に対応して設けられ
た噴出ノズルと、噴流導入孔に連通する流動層経
路とを有し、上記噴出ノズル及び下部槽底部に分
離槽の上澄流体を強制循環させるようにしたサン
ドエロージヨン・コロージヨン試験装置を特徴と
するものである。

上述の様な試験装置によれば、サンドエロージ
ヨン、コロージヨン及びエロージヨン・コロージ
ヨンを同一条件下で独立して考察・評価できるの
は無論、試験片表面以外はガイドピースに損傷の
可能性があるだけで、装置全体としての耐久性も
良好なものである。すなわち、試験片表面に衝突
した固体粒子は分離槽で流体と分離され、流動層
に帰還するので、循環経路に固体粒子が混入する
可能性がなく、たとえば、ポンプや配管を損傷す
ることがない。下部槽側壁や試験部における流動
層経路等は固体粒子の衝突速度が十分低いので、
ほとんど損傷を受けない。また損傷量の測定精度
の向上を期すこともできる。すなわち、ガイドピ
ースに対向した比較的大きな試験表面を設定する
ものであるから、たとえば実施例のごとく、薄い
円板形とした軽量の試験片を設置した場合、試験
表面自体は重量に比して比較的大きいので、試験
片の損傷が軽微であつても損傷量を正確に測定・
評価し得る。

第５図は粒径約20μｍの炭酸カルシウム粒子に
よるSUS316Lステンレス鋼の損傷量と試験時間
の関係を示したものであるが、噴流中の固体粒子
濃度：6wt％、衝突速度：1.7ｍ／sec.、試験液：
イオン交換水60℃の条件下における試験片の全損
傷量は、試験時間60時間後でも、１mg以下である
が、この微量の損傷量を生ずる間に４回の損傷量
測定が行なわれ、明確な損傷速度0.0030mg／ｈ
（但し、２個の試験片の平均値）が得られている。

また、試験条件を一定に保ちやすく、安定性が
良好で、長時間の運転にも耐え得るものである。
第５図からわかるように試験片の損傷速度は長時
間の試験にかかわらず一定である。このことは、
固体粒子の衝突速度や噴流中に含まれる固体粒子
濃度などの試験条件が長時間変化せず一定である
ことを示している。

さらにまた、固体粒子の種類、粒子径、衝突粒
子濃度、衝突速度などについて幅広く多様な条件
下で試験を行うことができる。第６図に、粒径約
240μｍ（Martin径）の珪砂粒子を用いて
SUS316Lステンレス鋼について行つた試験結果
を示す。噴流中の固体粒子濃度は約20wt％、噴
流速度は1.7ｍ／ｓ、試験液はイオン交換水60℃
である。比較的大きな粒子を用い、試験片に衝突
する噴流中の粒子濃度を高くして試験を行つたた
め試験片の損傷速度は17.00mg／ｈ（２個の試験片
の平均損傷速度）と大きい。第５図の結果と比較
すると、損傷速度は約6000倍になつている。本試
験装置ではこのように広い範囲の損傷速度を正確
に測定することができる。

また、腐食試験および腐食とサンドエロージヨ
ンの重畳下における試験において、流体の流動に
よる腐食への効果を加味した条件で試験を行うこ
とができる。本試験装置の試験部では、試験片表
面に対して比較的近接した間隔でガイドピースが
配してある。この両者間のすき間を放射状に流れ
る流体の境界層が剥離し、これが腐食を加速する
ことは次の実験結果から明らかである。本試験装
置の試験片と同一形状の試験片を用いて３％食塩
水による黄銅の腐食試験を第７図に示すような３
種類の装置で行つた。

Ａはノズル法であり、試験片中央に向けて試験
液の噴流を衝突させたもの。Ｂは水中ノズル法で
あり、これを食塩水中で行つたもの。Ｃはすき間
噴流法であり、本試験装置の試験部と同様の構造
である。ただし、噴流の方向は上から下へ向い、
本試験装置とは逆であるが、この噴流方向の違い
は試験結果に何らの影響も与えない。

試験の結果、第８図に示すような試験片表面に
おける浸食分布イと試験片断面における浸食深さ
分布ロが得られた。なお図中の左端は試験前の状
態を示す。この図において、環状の浸食ａが生ず
るのは、この部分で試験片表面に直角に衝突した
噴流が試験片表面に沿つた放射状流れへと流れの
方向を変えるとき、流れのせん断力が極大に達す
るためである。ｂの浸食環が生ずるのは、試験片
中央部からの放射状流れの境界層が層流から乱流
へ変化するために生ずるもので、ノズル法におけ
る表面流れでは生じない。ｃの浸食環が生ずるの
は、すき間の間の流れが上下の壁によつて拘束さ
れ周辺に向うにつれて流速が低下するために境界
層が剥離するのが原因である。このようにすき間
噴流法ではノズル法は水中ノズル法と異なり、境
界層剥離によつて腐食が加速されるため、実地に
即したコロージヨンテスト及びエロージヨン・コ
ロージヨンテストを迅速に行い得る利点を有して
いる。

さらにまた、実施例の装置によつて４個の試験
片につきサンドエロージヨンテストを行つたとこ
ろ第９図のごとき結果が得られた。

これは、鋳物用コニカル珪砂７号を用いて、固
体粒子濃度：30wt％、噴流速度：1.7ｍ／ｓ、試
験液：水道水60℃の条件下に４個のSUS304ステ
ンレス鋼試験片について行つた試験結果を示して
いるが、４個の試験片について得られた損傷量
（試験片の減量）と試験時間の関係はいずれも直
線となり、試験片間の試験結果のばらつきも±５
％以下で、再現性の良好な装置であることを物語
つている。

以上の通り、この発明に係るサンドエロージヨ
ン・コロージヨン試験法および試験装置は、流動
層の利用によつて全試験時間に渡つて均一で安定
した固体粒子の供給が可能であり、固体粒子の補
充や試験部からの除去操作を要せず、半永久的連
続運転を可能にし得たのである。また、流動層流
体および噴出流流体中には固体粒子が含まれてい
ないため、ポンプ、配管等の送給経路を損傷する
おそれがなく、かつ、固体粒子自体も損傷するお
それがない。また、流動層流体および噴出流流体
の使用により、これらの流量あるいは流速を定常
状態に維持すれば、常に同一条件の下にサンドエ
ロージヨンテストを遂行することができ、一方の
流量あるいは流速を変更すれば、簡単に固体粒子
の衝突条件を変換できる利点も有している。ま
た、使用流体として不活性流体を用いた場合はサ
ンドエロージヨンテストが実施でき、腐食性流体
を使用すれば、流動性条件下でのエロージヨン・
コロージヨンテストを実施することができる。ま
た、腐食性流体のみを使用することも可能であ
り、この場合は流動条件下でのコロージヨンテス
トを実施できるものである。

したがつて、固体粒子あるいは腐食性流体ある
いはまたこれらが重畳した攻撃に対する金属材料
などの耐久性を考察評価する際においてきわめて
信頼性が高く、また実用性の高い試験法および試
験装置を提供し得たのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係るサンドエロージヨ
ン・コロージヨン試験装置の一実施例を示す全体
概略図、第２図は、同装置における試験部の拡大
断面図、第３図は、試験部の分解断面図、第４図
Ａは、ノズル部材の平面図、Ｂは同底面図、第５
図は、炭酸カルシウム粒子（粒径20μｍ）を用い
てサンドエロージヨンテストを行つた場合の損傷
量と試験時間の関係を示す。第６図は、コロニカ
ル珪砂（粒径約240μｍ）を用いた場合の損傷量
と試験時間の関係図、第７図は、腐食の重畳した
条件下における３種のテスト方法の比較説明図、
第８図は、第７図のテスト方法の試験結果を示す
もので、イは試験片表面における浸食分布を示
し、ロは試験片断面における浸食深さ分布を示
す。第９図は、４個の試験片につき同時にサンド
エロージヨンテストを行つた試験結果を示す。 １……下部槽、２……分離槽、５……固体粒
子、６……流動層、Ｔ……試験部、９……ガイド
ピース、１２……試験片、２０……噴出ノズル、
２１……噴流導入孔、２２……流動層経路、２９
……ヒーター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流速分布の均一な上昇流体中に固体粒子を比
   較的密に浮遊させて固体粒子の均一な浮遊状態を
   達成した流動層内に、別途に流体を導いて噴出流
   を形成し、その噴出経路に浮遊粒子を吸引させ、
   該噴流経路を露出させた試験片表面に固体粒子を
   衝突させるようにするとともに、流動層流体及び
   噴出流流体として両者の混合流体から固体粒子を
   沈降分離させた流体を循環使用するサンドエロー
   ジヨン・コロージヨン試験法。 ２ 流速分布の均一な上昇流体中に固体粒子を比
   較的密に浮遊させて流動層を形成した下部槽と、
   この下部槽内に設置した試験部と、下部槽上部に
   連設され、流体中の固体粒子を沈降分離させる分
   離槽とを有し、上記試験部は、保持された試験片
   表面との間において噴流経路を画定するガイドピ
   ースと、このガイドピースの噴流導入孔に対応し
   て設けられた噴出ノズルと、噴流導入孔に連通す
   る流動層経路とを有し、上記噴出ノズル及び下部
   槽底部に分離槽の上澄流体を強制循環させるよう
   にしたサンドエロージヨン・コロージヨン試験装
   置。 ３ 噴出ノズル及び下部槽底部に至る強制循環経
   路に、流体の流量測定機及び調節機を設けてなる
   特許請求の範囲第２項記載のサンドエロージヨ
   ン・コロージヨン試験装置。 ４ 分離槽内にヒーターを設けた特許請求の範囲
   第２項記載のサンドエロージヨン・コロージヨン
   試験装置。